1η Διάλεξη ΚΟΛΛΟΕΙΔΕΣ ΣΥΜΠΛΟΚΟ ΕΔΑΦΟΥΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΚΑΤΙΟΝΤΩΝ ΤΕΙ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ

Transcript

1 1η Διάλεξη ΚΟΛΛΟΕΙΔΕΣ ΣΥΜΠΛΟΚΟ ΕΔΑΦΟΥΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΚΑΤΙΟΝΤΩΝ

2 Τροφοδότηση του εδαφικού διαλύματος Απορρόφηση Ρίζας Οργανική ουσία Ανταλλαγή κατιόντων Εδαφικό διάλυμα Μικροοργανισμοί εδάφους Προσρόφηση από την επιφάνεια Εδαφικά ορυκτά

3 Κολλοειδές Σύμπλοκο Εδάφους Διαφοροποιεί την γονιμότητα των εδαφών Καθορίζει την φυτική παραγωγή μέσω της διαφορετικής ικανότητας των εδαφικών κολλοειδών να προσροφούν ιόντα Τα εδάφη λειτουργούν ως φίλτρα, δεξαμενές, ανταλλάκτες προστατεύοντας τον υπόγειο υδροφόρο, αλλά και τα επιφανειακά ύδατα από ρύπους και τοξικές ουσίες. Επηρεάζει την θρέψη των φυτών ορθολογική διαχείριση των λιπάνσεων

4 Κολλοειδές Σύμπλοκο Εδάφους Το έδαφος συγκρατεί τα θρεπτικά στοιχεία: χαλαρά ώστε να είναι διαθέσιμα στα φυτά ισχυρά έτσι ώστε να αποφεύγεται η έκπλυσή τους επιφανειακή απορροή κατακόρυφη διήθηση

5 Γενικές ιδιότητες Τύποι των εδαφικών κολλοειδών

6 Ενεργότητα του εδάφους Κολλοειδή της αργίλου και του χούμου: Ενεργά τεμαχίδια με ηλεκτρικά φορτισμένες επιφάνειες: Συγκράτηση κατιόντων και ανιόντων Ισχυρά: ελαχιστοποίηση των απωλειών μέσω του νερού Ασθενώς: απορρόφηση από τις ρίζες

7 Ενεργότητα του εδάφους Κολλοειδή της αργίλου και του χούμου: Συγκράτηση: Μορίων νερού, Βιομορίων (DNA, αντιβιοτικά) Ιών, τοξικών μετάλλων Ζιζανιοκτόνων, ανόργανων και οργανικών ουσιών Σημαντική επιρροή πολλών λειτουργιών του οικοσυστήματος

8 Ιδιότητες των εδαφικών κολλοειδών

9 Μέγεθος Πολύ μικρό το μέγεθός τους (ηλεκτρονικό μικροσκόπιο) Διάμετρος <1μm

10 Λόγω του μικρού μεγέθους ανά μονάδα μάζας μεγάλη εξωτερική επιφάνεια Επίσης κάποια αργιλικά ορυκτά έχουν μεγάλη εσωτερική επιφάνεια Συνολική επιφάνεια: Επιφάνεια 10 m 2 /g (εξωτερικές επιφάνειες) >800 m 2 /g (εσωτερικές επιφάνειες) 10 στρέμματα εδάφους βάθους 1,5 μ με άργιλο 45% έχουν επιφάνεια km 2!

11 Επιφανειακά φορτία Επιφάνειες των κολλοειδών: αρνητικά και θετικά φορτία Κυριαρχία των αρνητικών φορτίων Τα φορτία επηρεάζονται: από τους διαφορετικούς τύπους των εδαφικών κολλοειδών από το ph

12 Προσρόφηση Κατιόντων-Ανιόντων

13 Προσρόφηση Κατιόντων-Ανιόντων Στο έδαφος οι φορτισμένες επιφάνειες των κολλοειδών συγκρατούν ένα νέφος κατιόντων και ανιόντων Η συγκράτηση επηρεάζει: την βιοδιαθεσιμότητα την κινητικότητα γονιμότητα εδάφους

14 Προσρόφηση Κατιόντων

15 Προσρόφηση Κατιόντων Σημαντική η ηλεκτροστατική έλξη κυρίως των κατιόντων: Al 3+, Ca 2+, Mg 2+, K +, H +, Na + Μικρότερης σημασίας η έλξη των ανιόντων Μετακίνηση των κατιόντων στο εδαφικό διάλυμα αντικατάσταση του ιόντος με ένα άλλο ίσου φορτίου ανταλλαγή κατιόντων

16 Προσρόφηση Ανιόντων Τα ανιόντα έλκονται από κολλοειδή που έχουν θετικά φορτία Ανιόντα: SO 4 2-, Cl -, NO 3 - H 2 PO 4 - Συμβαίνει σε μικρή έκταση Σημαντική ιδιότητα για την συγκράτηση ανιόντων ειδικά σε όξινο περιβάλλον

17 Προσρόφηση Νερού Τα εδαφικά κολλοειδή συγκρατούν μεγάλο αριθμό μορίων νερού Η ποσότητα του νερού που συγκρατείται είναι ανάλογη της επιφάνειας των κολλοειδών Το νερό αυτό μπορεί να μην είναι διαθέσιμο για τα φυτά Διαδραματίζει σημαντικό ρόλο για την επιβίωση μικροοργανισμών του εδάφους (πχ βακτήρια)

18 Τύποι των Εδαφικών Κολλοειδών Διάφοροι τύποι με συγκεκριμένες ιδιότητες (σύσταση, δομή) 1. Κρυσταλλικά πυριτικά ορυκτά της αργίλου 2. Μη κρυσταλλικά πυριτικά ορυκτά της αργίλου 3. Οξείδια του Fe και του Al 4. Οργανικά (χούμος)

19 Τύποι των Εδαφικών Κολλοειδών Κρυσταλλικά πυριτικά ορυκτά της αργίλου Εμφανίζονται στα περισσότερα εδάφη Κρυσταλλική δομή Είναι κυρίως αρνητικά φορτισμένα Μεγάλες διαφορές μεταξύ τους: σχήμα τεμαχιδίων, μέγεθος του ηλεκτρικού φορτίου, συγκολλητικότητα, πλαστικότητα, ικανότητα διογκώσεως

20 Τύποι των Εδαφικών Κολλοειδών Μη κρυσταλλικά πυριτικά ορυκτά της αργίλου Περιέχουν άτομα, οξυγόνου, πυριτίου και αργιλίου ισχυρά συνδεδεμένα μεταξύ τους Ασαφής κρυσταλλική δομή και μεγάλη υδατοχωρητικότητα Μεγάλο φορτίο (θετικό και αρνητικό) Ισχυρή προσρόφηση φωσφορικών και άλλων ανιόντων σε όξινο περιβάλλον

21 Τύποι των Εδαφικών Κολλοειδών Οξείδια Σιδήρου και Αργιλίου Εμφανίζονται στα έντονα αποσαθρωμένα εδάφη θερμών και υγρών περιοχών Αποτελούνται κυρίως από άτομα Fe και Al διατεταγμένα με άτομα Ο (με άτομα υδρογόνου σχηματίζουν ΟΗ) Έχουν κρυσταλλική ή μη κρυσταλλική δομή

22 Τύποι των Εδαφικών Κολλοειδών Οργανικά κολλοειδή (Χούμος) Κυρίως στους επιφανειακούς ορίζοντες. Αποτελούνται από ελικοειδείς αλυσίδες και δακτυλίους ατόμων C συνδεδεμένων με άτομα Η, Ο και Ν. Τα μικρότερα σε μέγεθος εδαφικά κολλοειδή Μεγάλη υδατοχωρητικότητα, αμελητέα πλαστικότητα και ικανότητα συγκολλήσεως, μικρή συνεκτικότητα. Πολύ υψηλό αρνητικό φορτίο σε ουδέτερα και αλκαλικά εδάφη

23 Χημική ισορροπία 1 2 Κατάσταση ισορροπίας: οι συγκεντρώσεις 1 και 2 παραμένουν σταθερές Οποιαδήποτε αλλαγή των συγκεντρώσεων θα μετατοπίσει την ισορροπία έτσι ώστε να εξουδετερωθεί η μεταβολή: Αύξηση της συγκεντρώσεως 1: μετατοπίζει την ισορροπία δεξιά Αποτέλεσμα: η εξίσωση των συγκεντρώσεων 1&2

24 2 1 Αντίστρόφως, αν η συγκέντρωση 1 μειωθεί η ισορροπία θα μετατοπισθεί αριστερά Η χημική ισορροπία στο έδαφος: 1 2 Αποτέλεσμα: η εξίσωση των συγκεντρώσεων 1&2 Μεταξύ των κατιόντων που είναι προσροφημένα στα κολλοειδή και των διαλελυμένων στο εδαφικό διάλυμα: K + K + προσροφημένο στα κολλοειδή διαλελυμένο στο εδαφικό διάλυμα

25 Κ + Κ + Κολλοειδή προσροφημένο Κ + προσροφημένο Εδαφ.διάλυμα στα κολλοειδή διαλελυμένο Κ + διαλελυμένο στο εδαφικό διάλυμα Αν εκπλυθεί μέρος των ιόντων Κ + (άρδευση, βροχή) Κ + προσροφημένο στα κολλοειδή Κ + διαλελυμένο στο εδαφικό διάλυμα προσροφημένο Κ + διαλελυμένο Κ + Με την εφαρμογή λιπάνσεων ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά.

26 Στην πραγματικότητα δεν υπάρχει μόνο ένα προσροφημένο κατιόν πχ: αν στα κολλοειδή υπάρχουν δυο προσροφημένα κατιόντα: Ca 2+ Na + Η προσθήκη Na + πχ μέσω του νερού αρδεύσεως θα αυξήσει την συγκέντρωσή του στο εδαφικό διάλυμα προσροφημένα διαλελυμένα η ισορροπία του Na + θα μετατοπιστεί προς τα αριστερά (μετακίνηση Na + σε θέσεις προσρόφησης) όμως, λόγω του ότι οι θέσεις προσρόφησης είναι περιορισμένες, όσα Na + προσροφηθούν θα αντικαταστήσουν αντίστοιχα φορτία Ca 2+ Επομένως, θα πραγματοποιηθεί ανταλλαγή τού Ca 2+ με το Na +, μέσω των νόμων τής χημικής ισορροπίας.

27 Ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων Ανταλλάξιμα Κατιόντα Σχηματική απεικόνιση της CEC Εδαφικό διάλυμα Αρνητικά φορτισμένα εδαφικά τεμαχίδια Προσροφημένα κατιόντα Ανιόντα

28 Ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων o Η συνολική ποσότητα των κατιόντων που μπορούν να προσροφηθούν στα αρνητικά φορτισμένα κολλοειδή. o Ανταλλάσσονται μεταξύ στερεάς και υγρής φάσης στο έδαφος (αντιστρεπτό φαινόμενο) o Αντικαθίστανται από άλλα ισοδύναμα ιόντα ιοντική ανταλλαγή. o Κυριότερα κατιόντα: Ca 2+, Mg 2+, Κ +, Νa +, ΝΗ 4+, Η +, Αl 3+. o Τα δισθενή ιόντα (Ca 2+, Mg 2+ ) συγκρατούνται ισχυρότερα από τα μονοσθενή.

29 Ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων (CEC) o Είναι η σημαντικότερη φυσικοχημική ιδιότητα των εδαφών γιατί: παρεμποδίζει τις απώλειες θρεπτικών στοιχείων μέσω του νερού. αν επικρατούν τα δισθενή Ca 2+, Mg 2+, η άργιλος είναι σε κατάσταση θρόμβωσης σταθερά συσσωματώματα άριστη δομή Καλός αερισμός και καλή στράγγιση αν επικρατεί από τα μονοσθενή το Na +, τότε επέρχεται η διασπορά της αργίλου με αρνητικές συνέπειες σε στράγγιση και αερισμό.

30 Ικανότητα ανταλλαγής Κατιόντων Τρόποι εκφράσεως: Αριθμός γραμμομορίων (moles) θετικού φορτίου που είναι προσροφημένος ανά μονάδα μάζας Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται η μονάδα: cmol c /kg Παλαιότερη μονάδα: me/100 g Εύρος τιμών: 3-50 cmol c /kg

31 Η CEC στα καλλιεργούμενα εδάφη Διαφορές ανά περιοχή αναλόγως του κλίματος Al 3+, H + αφθονότερα στις υγρές περιοχές Ca 2+, Mg 2+, Na + αφθονότερα σε ξηρές περιοχές Το ποσοστό των θέσεων της ΙΑΚ που καταλαμβάνει ένα κατιόν, λέγεται βαθμός κορεσμού με αυτό το κατιόν

32 Βαθμός κορεσμού με βάσεις Το ποσοστό % των ανταλλαξίμων κατιόντων Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, της ολικής εναλλακτικής ικανότητας και δίνεται από τον τύπο: V = S/ C.E.C. X 100 όπου: V = βαθμός κορεσμού με βάσεις S = Ca + Mg + Κ + Na C.E.C. = Ca + Mg + Κ + Na + Η Όταν ο βαθμός κορεσμού με βάσεις ξεπερνά το 80%, το έδαφος εμφανίζει αλκαλική αντίδραση.

33 Βαθμός κορεσμού με βάσεις Με την αύξηση του κορεσμού με βάσεις, αυξάνεται και το ph του εδάφους. Σε γενικές γραμμές, καθώς αυξάνεται το ph πάνω από το 5,6 ο βαθμός κορεσμού με βάσεις παραμένει κοντά στο 100%

34 Κορεσμός με κατιόντα και διαθεσιμότητα Ο βαθμός κορεσμού με το κάθε θρεπτικό στοιχείο, επηρεάζει σημαντικά την πρόσληψή του από τα φυτά. Παράδειγμα αναλύσεως εδάφους: ανταλλάξιμο Ca 8 cmol c /kg CEC: 10 cmol c /kg 80% κορεσμός με Ca καλή διαθεσιμότητα Ca

35 Επίδραση των συμπληρωματικών κατιόντων Η ισχύς προσροφήσεως των κατιόντων ακολουθεί την φθίνουσα σειρά: Al 3+ > Ca 2+ > Mg 2+ > K + = NH 4 + > Na + πχ: εάν τα γειτονικά ιόντα του Κ συγκρατούνται ισχυρά: είναι πολύ πιθανόν ένα ιόν Η + να αντικαταστήσει το Κ. πχ: εάν τα γειτονικά ιόντα του Κ συγκρατούνται χαλαρά: είναι πολύ πιθανόν ένα ιόν Η + να αντικαταστήσει τα γειτονικά ιόντα και όχι το Κ. Το Κ, είναι πιο διαθέσιμο για πρόσληψη αλλά και έκπλυση στα όξινα εδάφη, σε σχέση με τα ουδέτερα ή τα αλκαλικά

36 Ισχύς προσροφήσεως Η διαφορά στην έλξη οφείλεται στο ενυδάτωμα που σχηματίζεται γύρω από τα ιόντα του εδαφικού διαλύματος. Ιόντα που έχουν μικρότερο ενυδάτωμα έλκονται ισχυρότερα εκείνων με μεγαλύτερο: το Na + εκπλένεται ευκολότερα από το Ca 2+ το Ca 2+ εκπλένεται ευκολότερα από το ΑΙ 3+ το Νa+ εκπλένεται ευκολότερα από το Κ + Η σχετική αναλογία των κατιόντων στο εδαφικό διάλυμα παίζει ρόλο στη σειρά προτίμησης, έλξης, από τη στερεή φάση.

37 Ικανότητα Ανταλλαγής Ανιόντων (AEC) Σχεδόν όλα τα κολλοειδή φέρουν και θετικά φορτία, ακόμα και όταν το συνολικό τους φορτίο είναι αρνητικό. Οι βασικές αρχές ανταλλαγής ανιόντων είναι ίδιες με αυτές των κατιόντων Ανταλλάσσονται ποσότητες ισοδυνάμων φορτίων Σε αντίθεση με την CEC, η AEC μειώνεται με την αύξηση του ph. Σε συνήθεις συνθήκες AEC = 1-2 cmol c kg-1

38 Ικανότητα Ανταλλαγής Ανιόντων (ΑEC) Αντίδραση ανταλλαγής ιόντων Άργιλος ΝΟ Cl - Άργιλος Cl - + ΝΟ προσροφημένο διάλυμα προσροφημένο διάλυμα

39 Ικανότητα Ανταλλαγής Ανιόντων (ΑEC) Al OΗ Η 2 ΡΟ 4 - Al Η 2 ΡΟ Η 2 Ο Τέτοιες αντιδράσεις είναι τυπικές για τα φωσφορικά ιόντα, τα οποία δεσμεύονται εύκολα και έχουν μεγάλη υπολειμματική δράση Τα φωσφορικά ανταλλάσσονται πολύ δύσκολα, γιατί συγκρατούνται ισχυρά από τα οξείδια Al και Fe. αυτό εξηγεί το γεγονός ότι δεν χρειάζονται φωσφορικές λιπάνσεις κάθε χρόνο.

40 Ο ρόλος της CEC στην θρέψη των φυτών Οι δράσεις των ριζών ή των μικροοργανισμών παράγουν Η +, που αντικαθιστούν τα κατιόντα των κολλοειδών. Μεταφορά στο εδαφικό διάλυμα και αφομοίωση από τα φυτά. Η αφομοιωσιμότητα των κατιόντων, εξαρτάται από: την δύναμη προσροφήσεως, από το ποσοστό τους στο σύμπλοκο του εδάφους από τον τύπο και τις ιδιότητες των κολλοειδών. Η CEC καθορίζει τις λιπαντικές εφαρμογές

41 Επίπεδα επάρκειας των βασικών κατιόντων με βάση την CEC CEC Ca 65% Ca 75% Mg 10% Mg 15% K 3% K 5% Na <5%

42 Σημαντικά σημεία για την ΙΑΚ Άριστα ποσοστά (επί της CEC) μεταξύ των τριών βασικών κατιόντων για την διατήρηση ισορροπίας: Ca: 60-80% Mg: 10-20% Κ: 2-5% Άριστες αναλογίες μεταξύ των τριών βασικών κατιόντων (ppm): K/Mg: 3/1 Ca/Mg: 7/1

43 Σημαντικά σημεία για την ΙΑΚ o Σε εδάφη με χαμηλή CEC: o μπορεί τα ποσοστά των βασικών κατιόντων να είναι άριστα, όμως οι συγκεντρώσεις τους να είναι πολύ χαμηλές. o Αντιθέτως, σε εδάφη με υψηλή CEC: o μπορεί οι συγκεντρώσεις των βασικών κατιόντων να είναι άριστες, όμως τα ποσοστά τους να δηλώνουν έλλειψη.

44 Συμπεράσματα για τα επίπεδα των ανταλλαξίμων Η συγκέντρωση των ανταλλαξίμων κατιόντων δεν χρησιμοποιείται ως o μοναδικός δείκτης της γονιμότητας. Συνήθως σχετίζεται με: την CEC την περιεκτικότητα σε άργιλο το ποσοστό τους επί της CEC. Επομένως, κατά την δημιουργία της λιπαντικής προτάσεως θα πρέπει να λαμβάνονται υπ όψιν: οι επιμέρους συγκεντρώσεις, το ποσοστό τους επί της CEC αλλά και οι μεταξύ τους αναλογίες. Θα πρέπει να αποφεύγεται η αναγραφή άριστων ορίων για την αποφυγή συγχύσεων από τους αγρότες.

45 CEC και ph Η CEC μεταβάλλεται ανάλογα τον τύπο των ορυκτών της αργίλου, την περιεκτικότητα σε οργανική ουσία καθώς και με το εδαφικό ph Γενικά, η CEC είναι χαμηλότερη σε ph Αυξάνεται καθώς αυξάνει το ph Κάποια θετικά φορτία πιθανόν να υπάρχουν στα εδαφικά κολλοειδή σε χαμηλά ph. Αυτά τα φορτία συγκρατούν ανιόντα όπως το Cl - και τα SO 4 2-

46 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΝΑΛΥΣΕΩΝ